寒冷地区近零能耗住宅设计参数量化控制与关键变量协调机理研究

At present, some developed countries in Europe and America consider nearly zero energy building as a front research area in residential building energy saving. While in China, based on current energy saving criteria, the existing exemplary projects mostly regard envelope thermal performance improvement and air tightness as primary means. Previous research has found that the exterior windows with the minimum heat transfer coefficient under the conditions of different window-wall ratios cannot always achieve the goal of minimum heating and cooling energy consumption, which is caused by research deficiency on operating energy consumption optimization and coordination mechanism affected by residential building design parameters. Premised on the energy boundary of nearly zero energy residence (NZER) and environmental regulation equipment energy using the method of period dividing, this project sets up a reference model based on the research of energy consumption influence by quantitative control the plane dimension and height. In NZER design, the variables, including residence orientation, envelope configuration and thermal performance, window-wall ratio, and shading form etc, have different influence sensitivities on energy consumption. Targeted on the sensitivities research, this project reveals key variables optimization and coordination mechanism in Cold Zone residential building design based on “minimum energy demand”. The final research results might provide a theoretical basis for improving Chinese residential building energy saving design criteria and might have a practical significance for NZER building design in Cold Zone.

目前，欧美等发达国家将近零能耗住宅作为居住建筑节能的前沿性研究方向，而我国既有示范性项目多以现行节能设计标准为基础，将提升围护结构热工性能和气密性作为主要实现手段。申请人在前期研究中发现，较小窗墙比条件下，传热系数最小值外窗并不能实现采暖制冷能耗最低值。究其原因，是我国目前近零能耗住宅设计参数对运行能耗的优化协调机理研究不足。本课题以界定寒冷地区近零能耗住宅能量边界及划分环境调控设备运行时段为前提，以量化控制住宅平面尺度及高度对能耗影响作用为基础建立参照模型，以住宅设计中朝向、围护结构热工性能、窗墙比、遮阳形式等众多参数变量对能耗影响敏感性程度为依据进行关键变量筛选，重点揭示基于“能源需求最小化”目标下的寒冷地区近零能耗住宅设计参数中关键变量的优化协调机理。最终研究结果可为提高和完善我国寒冷地区居住建筑节能设计标准提供理论依据，对指导寒冷地区近零能耗住宅设计具有重要的实践应用价值。

本课题立足于我国寒冷地区气候与地域现状，以近零能耗住宅作为主要研究对象，将“能源需求最小化”作为实现目标，开展了近零能耗住宅设计参数决策变量对运行能耗影响及优化协调机理的研究。以研究目标为出发点，从需解决的关键问题入手，按解决问题的前后逻辑依存关系，完成了以下四个方面的主要研究内容：1）通过调研与统计，明确寒冷地区近零能耗住宅能耗特征，由能耗特征定义能量边界设定，即以住宅终端采暖、制冷能耗（含除湿）作为能耗统计边界范畴；2）建立了以“舒适+健康”为基准的室内环境控制设备全年运行时段划分标准，其中将人体热舒适度指标作为一级指标，将全年365天划分为采暖、制冷与自然通风三个季节，以相对湿度作为二级指标对自然通风季节进行细化，划分加湿、除湿季节及对应时长；3）量化体形设计参数与建筑能耗之间的影响关系，运用计算机能耗仿真技术建立住宅空间尺度变量与运行能耗之间的标准数学模型，得到了寒冷地区近零能耗住宅的最佳节能体形；4）对围护结构设计参数的敏感性进行分析，筛选出关键参数及变量，进行正交设计与计算，对正交试验数据进行多重线性回归，建立了节能设计关键参数对采暖制冷能耗影响关系的解析模型，揭示了寒冷地区近零能耗住宅节能设计参数关键变量的优化协调机理。最终，将以上研究成果开发成近零能耗住宅关键参数优化设计与能量需求预测软件，实现了近零能耗住宅项目关键参数优化取值和建筑能耗水平的快速预测。本课题较好的完成了既定目标，获得了较丰富的研究成果，其中发表期刊论文8篇（含已录用2篇），获得软件著作权1项，申请发明专利1项（已受理），培养博士研究生1名，硕士研究生3名，研究成果指导的工程实践项目获华夏建设科学技术三等奖。课题研究成果可对寒冷地区现有住宅节能设计理论及设计方法进行拓展和提升，为寒冷地区居住建筑节能设计标准修订提供科学理论依据，对寒冷地区居住建筑节能向更高层次的发展具有重要的理论与实践应用价值。